Die Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der die durch Wärme und Arbeit in einem thermodynamischen System hervorgerufenen thermodynamischen Transformationen untersucht und beschreibt. Diese Transformationen sind das Ergebnis von Prozessen, die Veränderungen der Zustandsgrößen Temperatur und Energie auf makroskopischer Ebene beinhalten.
Die klassische Thermodynamik basiert auf dem Konzept eines makroskopischen Systems, d. h. eines Teils der Masse, der physisch oder konzeptionell von der äußeren Umgebung getrennt ist und von dem der Einfachheit halber oft angenommen wird, dass er durch keinen Energieaustausch mit dem System gestört wird.
Der Zustand eines makroskopischen Systems im Gleichgewicht wird durch Größen angegeben, die als thermodynamische Variablen oder Zustandsfunktionen bezeichnet werden, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Volumen und chemische Zusammensetzung. Die wichtigsten Bezeichnungen der chemischen Thermodynamik wurden von der International Union of Pure and Applied Chemistry festgelegt.
Es gibt jedoch einen Zweig der Thermodynamik, die sogenannte Nichtgleichgewichtsthermodynamik, der thermodynamische Prozesse untersucht, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet sind, stabile Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen.
Was untersucht die klassische Thermodynamik?
Die klassische Thermodynamik konzentriert sich auf die Untersuchung makroskopischer Systeme im Gleichgewicht unter Verwendung messbarer und beobachtbarer Eigenschaften. Dieser Zweig basiert auf grundlegenden Prinzipien wie der Energieerhaltung und den Gesetzen thermischer Umwandlungen.
Neben der klassischen Thermodynamik gibt es weitere Zweige, die ihr Studium ergänzen:
- Statistische Physik : Setzt die mikroskopischen Eigenschaften von Teilchen (Atomen und Molekülen) in Beziehung zu beobachtbaren makroskopischen Eigenschaften und bietet eine mikroskopische Interpretation thermodynamischer Konzepte.
- Chemische Thermodynamik : Wendet die Prinzipien der Thermodynamik auf die Untersuchung chemischer Reaktionen und Phasenänderungen an und analysiert, wie Energie und Entropie die Richtung und das Gleichgewicht chemischer Prozesse beeinflussen.
- Gleichgewichtsthermodynamik : Konzentriert sich auf Systeme, die einen Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts erreichen, und analysiert die Bedingungen, unter denen in diesen Systemen Materie- und Energieübertragungen stattfinden.
- Nichtgleichgewichtsthermodynamik : Untersucht Systeme, die sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, und befasst sich mit irreversiblen Prozessen und Schwankungen, die außerhalb des Gleichgewichts auftreten.
Gesetze der klassischen Thermodynamik
Die Prinzipien der Thermodynamik wurden im 19. Jahrhundert formuliert und regeln thermodynamische Transformationen, ihren Verlauf und ihre Grenzen. Es handelt sich um reale, unbewiesene und unbeweisbare, auf Erfahrung beruhende Axiome, auf denen die gesamte Theorie der Thermodynamik basiert.
Wir können drei Grundprinzipien unterscheiden, plus ein „Null“-Prinzip, das die Temperatur definiert und in den anderen drei implizit enthalten ist.
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Wenn sich zwei interagierende Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, weisen sie einige Eigenschaften auf, die gemessen werden können und ihnen einen genauen numerischen Wert verleihen. Wenn sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten befinden, sind sie daher auch untereinander im Gleichgewicht und die gemeinsame Eigenschaft ist die Temperatur.
Der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik besagt einfach, dass, wenn sich ein Körper „A“ im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper „B“ befindet und „B“ sich im thermischen Gleichgewicht mit einem Körper „C“ befindet, dann befinden sich „A“ und „C“ im thermischen Gleichgewicht miteinander.
Dieses Prinzip erklärt die Tatsache, dass zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird (auch wenn dieses Konzept im Nullprinzip nicht vorhanden ist), letztendlich die gleiche Temperatur erreichen.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der klassischen Thermodynamik, auch als Energieerhaltungssatz bekannt, besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems erhalten bleibt. Mit anderen Worten: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
Die mathematische Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik lautet:
\[\Delta U = Q - W\]
Dabei stellt ΔU die Schwankung der inneren Energie des Systems dar, Q die von der Umgebung an das System abgegebene Wärme und W die vom System an der Umgebung geleistete Arbeit.
Diese Gleichung zeigt, dass jede Änderung der inneren Energie eines Systems auf Wärmeübertragung und geleistete Arbeit zurückzuführen ist. Wenn Q positiv ist, bedeutet dies, dass dem System Wärme zugeführt wird, während, wenn es negativ ist, das System Wärme an die Umgebung abgibt. Wenn W positiv ist, bedeutet dies, dass das System auf die Umgebung einwirkt, und wenn W negativ ist, bedeutet dies, dass die Umgebung auf das System einwirkt.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Es gibt mehrere Aussagen zum zweiten Prinzip, die alle gleichwertig sind, und jede Formulierung betont einen bestimmten Aspekt. Darin heißt es: „Es ist unmöglich, eine Kreisprozessmaschine zu realisieren, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem kalten auf einen warmen Körper ist“ (Clausius-Aussage), oder, gleichbedeutend, „Es ist unmöglich, eine Transformation durchzuführen, deren einziges Ergebnis die Umwandlung der aus einer einzigen Quelle gewonnenen Wärme in mechanische Arbeit ist“ (Kelvin-Aussage).
Diese letzte Einschränkung macht die Durchführung des sogenannten Perpetuum mobile zweiter Art unmöglich. Die Gesamtentropie eines isolierten Systems bleibt bei einer reversiblen Transformation unverändert und nimmt bei einer irreversiblen Transformation zu.
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Der dritte Hauptsatz der klassischen Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) durch eine endliche Anzahl thermodynamischer Transformationen zu erreichen. Dieses Gesetz wurde 1906 von Walther Nernst formuliert.
Genauer gesagt besagt der dritte Hauptsatz, dass die Entropie eines reinen, vollkommen kristallinen Systems Null ist, wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht. Entropie ist ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems, und das dritte Gesetz besagt, dass sich die Entropie des Systems dem absoluten Nullpunkt nähert, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert.
Anwendungen der klassischen Thermodynamik
Die klassische Thermodynamik hat ein breites Spektrum praktischer Anwendungen. Nachfolgend sind einige Bereiche aufgeführt, in denen die klassische Thermodynamik häufig verwendet wird:
- Energietechnik: Die klassische Thermodynamik ist für die Konstruktion und Optimierung von Energieerzeugungssystemen wie Kraftwerken, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren und erneuerbaren Energiesystemen von entscheidender Bedeutung. Es hilft, die Energieeffizienz, thermodynamische Zyklen und Wärmeübertragung in diesen Systemen zu verstehen.
- Chemieingenieurwesen: Die klassische Thermodynamik ist von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung und Durchführung chemischer Prozesse, einschließlich der chemischen Produktion, der Erdölraffination, der Materialsynthese und der Lebensmittelproduktion. Es ermöglicht die Analyse chemischer Gleichgewichte, Wärmeübertragungsberechnungen und Prozessoptimierung.
- Kälte- und Klimatechnik: Die klassische Thermodynamik ist für das Verständnis von Kältekreisläufen und Klimaanlagen unerlässlich. Hilft bei der Auslegung von Kälteanlagen, der Auswahl von Kältemitteln und der Berechnung der Kühlleistung.
- Materialwissenschaft: Die klassische Thermodynamik wird verwendet, um die Eigenschaften von Materialien in verschiedenen thermodynamischen Zuständen wie fest, flüssig und gasförmig zu untersuchen. Es hilft bei der Vorhersage von Phasenstabilität, Phasenübergängen und Gleichgewichtseigenschaften wie Dampfdruck und Löslichkeit.
- Untersuchung des chemischen Gleichgewichts: Die klassische Thermodynamik ist grundlegend für das Verständnis des chemischen Gleichgewichts und des Verhaltens chemischer Reaktionen. Damit lässt sich feststellen, ob eine Reaktion spontan ist oder nicht und es liefert Informationen zur thermodynamischen Leistung chemischer Prozesse.
- Atmosphären- und Klimaforschung: Die klassische Thermodynamik wird bei der Erforschung der Atmosphäre, des Klimas und meteorologischer Phänomene angewendet. Es hilft, die Prozesse der Wärmeübertragung in der Atmosphäre, der Wolkenbildung und der Sonneneinstrahlung zu verstehen.